第四章闭合电路欧姆定律和逻辑电路第1节闭合电路欧姆定律

第1页第四章闭合电路欧姆定律和逻辑电路第1节闭合电路欧姆定律【教材分析】在学生学习了“欧姆定律”、“电功”等内容之后编排的，是分析和理解部分电路和全电路的交汇点，也是复杂电路分析的基础。本节内容在教材中具有承上启下的作用，既是前面所学知识的巩固和深化，又为后继内容的学习做出了铺垫。同时通过本节的学习，能使学生会用能的转化观点分析有关电路问题。因此，本节是本章乃至整个电路部分的中心内容，更是本章教学的重点。本节首先介绍了电动势的概念，再引入外电路、内电路以及各自的电阻等基本概念，从而得出了闭合电路的欧姆定律，根据闭合电路的欧姆定律得到了路端电压与外电阻之间的关系，最后又从能量的角度分析了闭合电路的功率。教学的重点应该在闭合电路的欧姆定律；路端电压与外电阻的关系以及闭合电路中的功率的计算，特别是闭合电路只能适用于纯电阻电路，对有电动机等存在的非纯电阻电路的处理问题要详细介绍。【教学目标】1.知识与技能（1）知道电动势的概念，知道电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压，知道电源的电动势等于外电压和内电压之和。（2）理解闭合电路欧姆定律及其公式，并能熟练地解决有关的电路问题。（3）理解路端电压与电流(或外电阻)的关系，知道这种关系的公式表达和图线表达，并能用来分析、计算有关问题。（4）理解闭合电路的功率表达式和闭合电路中能量转化的情况。2.过程与方法：（1）培养学生分析解决问题能力，会用闭合电路欧姆定律分析外电压随外电阻变化的规律。（2）通过演示路端电压与负载的关系实验，培养学生利用“实验研究，得出结论”的探究物理规律的科学思路和方法。理解路端电压与电流（或外电阻）的关系，知道这种关系的公式表达和图线表达，并能用来分析、计算有关问题。（3）通过用公式、图像分析外电压随外电阻改变规律，培养学生用多种方式分析问题能力。通过电路问题的分析，感悟逻辑推理的方法。通过利用闭合电路欧姆定律解决一些简单的实际问题，培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。3.情感态度价值观：(1）通过教学示范作用，培养学生实验探索和科学推理的物理思维品质，由此进一步认识物理思维方法；通过能力训练，培养学生创造性学习的思维品质，能够变换、创设问题，从中理性地体会物理思维方法。（2）通过外电阻改变引起电流、电压的变化，树立学生普遍联系观点；通过分析外电压变化原因，了解内因与外因关系；通过对闭合电路的分析计算，培养学生能量守恒思想；知道用能量的观点说明电动势的意义。【教学重点】掌握闭合电路欧姆定律及应用定律讨论路端电压、输出功率、电源效率第2页随外电阻变化的规律及原因。【教学难点】电动势的概念（电源电动势等于电路上内、外电压之和）（比较抽象）。应用闭合电路欧姆定律讨论电路中的路端电压、电流强度随外电阻变化的关系；短路、断路特征。【教学方法】（1）演示实验法：实验是学生认知规律的最好的方法，最具有说服力。（2）启发式法：在规律得出的过程中需要教师的点拨来帮助学生完成思维的跳跃。（3）讲练结合式：结合本节内容，给出相应的练习，随时发现学生的错误，并引导分析其错误原因，把教师的主导作用与学生的主体作用结合起来，巩固强化有关知识。【教学媒体】干电池组，电键，电流表，电压表，滑动变阻器，导线若干【课时安排】2课时【教学过程】复习回顾：为了使电路中有持续的电流，要具备什么条件？（要使电路两端有持续的电压，可以将电路接到干电池两端来得到）总结说明：除了干电池，蓄电池、发电机也能使电路两端有持续的电压，电路中有持续的电流。从能量角度上看，干电池、蓄电池、发电机都是能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置，如干电池是把化学能转化为电能，发电机是把机械能、核能等转化为电能。我们把这一类装置称为电源。【板书】一、电源：保持两极间有一定电压，把其它形式的能转化为电能的装置。教师展示各种电池：这些各种各样的电源两极间的电压都一样吗？电源有什么特性？我们该用什么物理量来描述电源的特性？课本P72页倒数第二段指出，干电池的电压是1.5V，学生用蓄电池的电压是2V，手机里的锂电池的电压是3.7V，这些都是指电池没有接入电路时电池两极间的电压，我们可以近似地用电压表来测量。【实验探究】将干电池和开关两端连接电压表（选择适当的量程），闭合开关，读出电压表的读数。测量结果表明，同类型的干电池两极间的电压都相同，同类型的蓄电池两极间的电压也相同。干电池和蓄电池都是电源，都是把化学能转化为电能的装置，但两种电源两极的电压不同，表明干电池和蓄电池把化学能转化为电能的本领大小是不同的。在物理学中，用电动势来表示电源的这一特性。用符号E表示。【板书】1.电动势E：反映电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量。标量。数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。单位：V第3页一起阅读课本P73页1～5段。理解电动势是电源的特征量。【实验探究】将干电池和开关两端连接电压表（选择适当的量程），电压表两端再连接滑动变阻器和电流表，闭合开关，移动滑动变阻器的滑动端，观察电压表和电流表的指针偏转情况。结论：电压表示数小于电动势，且随着电流表示数的增大而减小。提出问题：在初中时一般认为电池两端的输出电压不变，所以大家认为滑线变阻器的滑片在移动的过程中，电压表的读数不变。可是在滑动滑片时，电流表的读数确实在变大，但电压表的读数在变小。这是为什么呢？结论说明：初中所用的电源我们认为输出电压不变，可称为“理想电源”，不考虑电源的内部情况；实际电源内部存在着电阻，如图所示，实际电源可以认为是由理想电源和电阻串联而成。电源内部存在着的电阻，我们称之为“内阻”，当有电流时也要分得一部分电压，输出电源的电压应该是理想电源的电压减去内阻上的电压，输出电压随外电路的情况而变化，干路中的电流越大，输出电压越小。不同种类的实际电源，我们都可以认为是由理想电源和内阻构成，不过它们的理想电源的电动势和内阻一般不同。【板书】2.电源内阻r：电源内部存在的电阻。纯电阻。【板书】3.实际电源可以认为是由理想电源（无电源内阻）和电阻（电源内阻）串联而成。电动势E和电源内阻r由电源本身决定，一般认为是不变的。一个完整的电路通常由电源、用电器、开关、导线等部分组成。开关闭合后，形成了电流的闭合回路，我们称为闭合电路。为了进一步分析电路，我们将闭合电路分成两部分：一部分是电源外部的电路，称为外电路，包括用电器、开关、导线等；另一部分是电源内部的电路，称为内电路，如发电机的线圈、电池内的物质等。【板书】二、闭合电路：【板书】1.外电路：电源外部的电路。【板书】内电路：电源内部的电路。【板书】2.外电阻：外电路的总电阻，用R或R外表示。【板书】内电阻：内电路的电阻，即电源的内阻。用r表示。【板书】3.外电压：外电路两端的电压，即电源两端的电压，也称为路端电压。用U或U外或R路表示。第4页【板书】内电压：内电路两端的电压。用U内或Ir表示。在外电路中，电流由电势高的一端流向电势低的一端，在外电阻上沿电流方向有电势降落，用U外表示，即外电压；在电源的内电阻上也有电势降落，用U内表示即内电压。而电源正极的电势比电源负极的电势高电动势的大小。研究表明，在闭合电路中，内外电路电势的降落等于电源内部电势的升高，即电动势的大小。【板书】4.电源的电动势总是等于内外电压之和：E=U外＋U内我们在初中所学过的欧姆定律是，不含电源时，流过一段电路的电流大小与该电路的电阻及两端电压的关系为RUI，相对闭合电路而言，它是外电路为纯电阻的一个规律，在高中阶段，我们称它为部分电路欧姆定律。那么，含电源的闭合电路，怎么计算电流呢？在前面我们已经看到电源的电动势总是等于内外电压之和：E=U外＋U内。如果外电路也是纯电阻电路。也符合欧姆定律。设这个电路的电流为I，我们就可以推出：由于U外=IR，U内=Ir，那么E=IR＋Ir，电流I=E/（R＋r），这就是闭合电路的欧姆定律。【板书】三、闭合电路欧姆定律【板书】1.内容：流过闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。【板书】2.公式：I＝ER＋r【板书】3.适用条件：外电路是纯电阻电路。从这个表达式可以看出，在电源恒定时，电路中的电流随电路的外电阻变化而变化；当外电路中的电阻是定值电阻时，电路中的电流和电源有关。闭合电路欧姆定律确定了电流与电动势和内、外电阻之间的关系。在这些量中，电源的电动势和内阻一般是不变的，当电路状态（外电阻）变化时，通过测量电流或电压就能求出电源的电动势和内阻。【课堂例题】课本P75页例题ErEUIrRI第5页【课堂例题】如图所示电路中R1=14Ω，R2=9Ω，当S扳至位置1时，电流表示数I1=0.2A；当S扳至位置2时，电流表的示数I2=0.3A，求E和r.设计意图：利用本节学习的内容，分析有关题目，进一步培养学生科学、系统、周密地讨论分析问题的能力。这道例题还为我们提供了一种测量电源的电动势E和内阻r的方法。一般电源的电动势和内电阻认为是不变的。那么外电阻R的变化，就会引起电路中电流的变化，继而引起路端电压U、输出功率P、电源效率η等的变化。下面，我们根据闭合电路欧姆定律来了解外电路两端电压（路端电压）随外电阻变化的规律。【板书】四、路端电压：当外电阻增大时，电流减小，路端电压增大；当外电阻减小时，电流增大，路端电压减小。【板书】1.定性分析：R↑→I(＝ER＋r)↓→Ir↓→U(＝E－Ir)↑R↓→I(＝ER＋r)↑→Ir↑→U(＝E－Ir)↓【板书】2.特例：外电路断路：R↑→I↓→Ir↓→U＝E即外电路断路时的路端电压等于电源电动势，实际上外电路断路，等效于电源没有接入电路，而电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压，故外电路断路时的路端电压等于电源电动势。把电压表接在电源两端测电动势，利用的就是这个原理。由于电压表有较大的内阻，与电源构成闭合回路，电路中有很小的电流，在电源内阻上就有一个很小的内电压，电压表两端的电压也就是路端电压略小于电源电动势。因此，课本P72页倒数第二段说电动势可以近似地用电压表来测量。电压表内阻越大，内电压越小，测量结果越接近电源电动势。外电路短路：R↓→I(＝Er)↑→Ir(＝E)↑→U＝0I＝Er称为短路电流。【板书】3.图象描述路端电压U与电流I的关系图象是一条向下倾斜的直线。U—I图象如图所示。直线与纵轴的交点表示电源的电动势E，直线的斜率的绝对值表示电源的内阻。∞000ErR1R2S12第6页【板书】四、电源的功率和效率：【板书】1.电源的功率（电源提供的功率）（电源的总功率）P总=EI【板书】2.电源内部消耗的功率Pr=I2r【板书】3.电源的输出功率（外电路上消耗的电功率）P出=UI【板书】4.P总=P出+I2r【板书】5.电源的效率：rRREUPPE（最后一个等号只适用于纯电阻电路）（电源的效率η随外电阻R的增大而增大）在纯电阻电路中，当用一个固定的电源（即E、r是定值）向变化的外电阻供电时，输出的功率P=IU=I2R，又因为I=E/（R＋r），电源的输出功率rErRrRERrrRrRRErRREP44)(4222222222，可见电源输出功率随外电阻变化的图线如图所示，而当内外电阻相等时，电源的输出功率最大，为rEPm42。【板书】6.外电路为纯电阻电路时，内外电阻相等时，电源的输出功率最大。从P－R图象中可知，当电源的输出功率小于最大输出功率时，对应有两个外电阻R1、R2时电源的输出功率相等。可以证明，R1、R2和r必须满足：r＝R1R2。当外电阻R越大时，电源的效率越高。当电源的输出功率最大时，η＝50%。【课堂例题】名校学案P57～58页例1、2、3.【教学反思】本节课重在内外电阻、电压分析，功率、效率计算。UUr＝0IOEU内＝I1rU＝I1RoRP出Pmr